光中継装置および光中継方法
【課題】 フォトリフラクティブ素子において回折された画像に歪みを生じさせることなく、従来必要であった消去光の照射に必要な光学系の構成を不要とすることができる光中継装置を提供する。
【解決手段】 光中継装置が備える光学システム２は、複数のフォトリフラクティブポリマー１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃが積層されたフォトリフラクティブ素子１１と、偏光ビームスプリッタ１２とによって交差偏光４波混合光学系によって構成されている。制御光ＣＬとポンプ光ＰＬとによって、フォトリフラクティブポリマー１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃのそれぞれに対して、入力画像ＩＰに含まれるいずれか１つの部分画像に対応した箇所に屈折率格子ＲＬが形成される。ここで、フォトリフラクティブポリマー１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃのそれぞれに対応する入力部分画像が互いに異なっていることによって、出力される出力画像ＯＰにおける部分画像の配列が変換される。
【解決手段】 光中継装置が備える光学システム２は、複数のフォトリフラクティブポリマー１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃが積層されたフォトリフラクティブ素子１１と、偏光ビームスプリッタ１２とによって交差偏光４波混合光学系によって構成されている。制御光ＣＬとポンプ光ＰＬとによって、フォトリフラクティブポリマー１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃのそれぞれに対して、入力画像ＩＰに含まれるいずれか１つの部分画像に対応した箇所に屈折率格子ＲＬが形成される。ここで、フォトリフラクティブポリマー１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃのそれぞれに対応する入力部分画像が互いに異なっていることによって、出力される出力画像ＯＰにおける部分画像の配列が変換される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間的に並列に伝送される複数の光信号の空間的な配列を変更し、出力する光中継装置および光中継方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
情報を光信号として伝送する際の切り替えや接続を行う装置としての光インターコネクションが多種提案されている。この光インターコネクションにおいて、従来、光信号を電気信号に一旦変換してコネクション処理を行い、その後再度光信号に変換する処理が行われるものがある。
【０００３】
このような光−電気変換型の光インターコネクションは、光−電気変換によって生じる電磁干渉や発熱などの問題を有している。また、光信号がパラレルで伝送される場合には、光−電気変換型の光インターコネクションは、次のような中継処理を行うことになる。まず、入力された光画像（パラレル信号）が電気信号に変換され、電気信号においてパラレル・シリアル変換が行われる。その後、シリアル電気信号が光信号に変換され、光伝送路に送出される。そして、光伝送路の受信側は、これとは逆の手順を行うことによって、光画像（パラレル信号）を得る。すなわち、光−電気変換型の光インターコネクションは、パラレル−シリアル変換、およびシリアル−パラレル変換が行われることによる処理時間の長大化という問題も有している。
【０００４】
以上のような光−電気変換型の光インターコネクションが有する問題を解決する手法の一つとして、フォトリフラクティブ材料を媒質として用いた全光インターコネクションが提案されている。この全光インターコネクションは、１対１だけでなく１対多、多対多接続の制御に光を用いることができるので、任意の接続パターンを全光学的に構築することができる（非特許文献１参照）。
【０００５】
通信に光信号を用いることは、光の高速性による高速通信が実現されるだけでなく、同時に光の空間並列性を利用することによる高速通信をも実現することが可能となる。これは、全光インターコネクションが、ピクセルデータからなる２次元画像データのような空間的に並列な光信号をそのまま利用できることを意味する。すなわち、全光インターコネクションが画像を直接操作することによって、これまで膨大な処理時間が必要とされてきた２次元画像データと１次元時系列信号との変換処理が不要となる。その上でこの画像を複数個一括して接続することによって、より高速で大容量の通信が実現できる。
【０００６】
従来、空間的に並列な信号および画像を直接接続する全光インターコネクションは、ＢａＴｉＯ３やＬｉＮｂＯ３などの電気光学結晶を用いて、図１１に示すような光学系によって実現されている（非特許文献２参照）。この光学系は、フォトリフラクティブ結晶１０１、偏光ビームスプリッタ１０２、およびプリズム１０３を備えている。同図に示す例では、ポンプ光ＰＬ、および、屈折率格子ＲＬの誘起を制御する３行３列のマトリックス状の制御光ＣＬはともに常光線であり、入力画像ＩＰおよび出力画像ＯＰはともに異常光線である交差偏光４波混合系が用いられている。まず、以下の３行３列の行列Ｃで表される制御光ＣＬが偏光ビームスプリッタ１０２に入射される。
【０００７】
【数１】
【０００８】
ここで、行列Ｃの各要素において、０は制御光ＣＬの暗部を示しており、１は制御光ＣＬの明部、つまり制御光ＣＬの照射を示している。制御光ＣＬは常光線であるため、偏光ビームスプリッタ１０２によってフォトリフラクティブ結晶１０１方向に反射される。この制御光ＣＬとともにフォトリフラクティブ結晶１０１に入射されたポンプ光ＰＬによって、フォトリフラクティブ結晶１０１内にマトリックスパターンに応じた屈折率格子ＲＬが誘起される。この屈折率格子ＲＬはインターコネクションにおける乗算器としての役割を果たす。
【０００９】
以上のように誘起された屈折率格子ＲＬに対して、ポンプ光ＰＬと対向伝搬になる方向から、縦１列に並べられた入力画像ＩＰがフォトリフラクティブ結晶１０１内へ入射すると、入力画像ＩＰは屈折率格子ＲＬによって制御光ＣＬの入射方向（偏光ビームスプリッタ１０２の方向）に回折される。回折された入力画像ＩＰは異常光線であるため、偏光ビームスプリッタ１０２を透過する。偏光ビームスプリッタ１０２を透過した画像光は、さらにプリズム１０３によって横１列に揃えられ、出力画像ＯＰとして出力される。
【００１０】
上記の過程を経ることにより、入力画像ＩＰと出力画像ＯＰとの接続パターンとして、入力部分画像ｉａ−出力部分画像ｏＣ、入力部分画像ｉｂ−出力部分画像ｏＡ、入力部分画像ｉｃ−出力部分画像ｏＢが形成され、各入力部分画像と各出力部分画像との１対１接続が実現される。接続パターンの変更は、制御光ＣＬのマトリックス状のパターンを変更することによって任意に実現される。
【非特許文献１】P. Yeh, Introduction to Photorefractive Nonlinear Optics, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1993.
【非特許文献２】T. Kaneda, A. Okamoto, S. Honma, T. Nakada, and K. Sato, “Optical image connector with photorefractive four-wave mixing,” Proc. 2nd International Conference on Optical Design and Fabrication (ODF2000), no.P27, pp.229-232, Tokyo, Japan, Nov. 2000.
【非特許文献３】Symthetic studies of TPD (tetra-phenyl-diphenyldiamine) acrylate based polymers and their composition photorefractive performances, M. Yamamoto,J. K. Cammack, S. Ciccotti, P. Wang, Nitto Denko Technical Co.; J.Thomas, B. Kippelen, G. R. Meredith, S. R. Marder, Univ. of Arizona, Proceedings of SPIE Vol.4991-57, 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
屈折率格子が生成される媒質として、ＢａＴｉＯ３に代表されるフォトリフラクティブ結晶を用いた場合、結晶の相互作用長（媒質の厚み）がｍｍオーダーであるため、媒質内の屈折率格子も同様の厚さで誘起されうることになる。図１２（ａ）に示すように、屈折率格子が厚くなると、それだけ入力画像ＩＰが屈折率格子内を伝搬する距離ｄが長くなる。屈折率格子内では入力画像ＩＰは制御光ＣＬ方向に回折されるため、この伝搬距離ｄが長いと、屈折率格子において回折された出力画像ＯＰは、同図に示すように水平方向に歪んだ画像となる。
【００１２】
出力画像の歪みを改善するためには屈折率格子が相互作用領域内に薄く誘起される必要がある。従来は、図１２（ｂ）に示すように、フォトリフラクティブ結晶１０１の上端から、一様でインコヒーレントな消去光ＥＬを屈折率格子が誘起されうる相互作用領域の大部分に照射する手法が用いられている。ここで、消去光ＥＬは、図１２（ｃ）に示すように、大部分が明部であり、その１つの対角線付近に幅の狭い暗部が設けられている光となっている。これにより、フォトリフラクティブ結晶１０１内に、幅ｄの狭い屈折率格子が残ることになる。このような状態にすれば、入力画像ＩＰが屈折率格子内を伝搬する距離ｄが短くなるので、出力画像ＯＰにおける水平方向への歪みを抑制することができる。
【００１３】
しかしながら、この手法を用いる場合、フォトリフラクティブ結晶上端から消去光を照射するための構成を設けることによる光学系の大型化や、各相互作用領域に対して同様の制御を行うことによる光学系の複雑化を招く。また、消去光の照射によって屈折率格子の相互作用長が短くなるため、回折効率の低下も懸念される。さらに、結晶の相互作用長がｍｍオーダーであるフォトリフラクティブ結晶は基本的に高価であり、装置コストの上昇を招くという問題もある。
【００１４】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、フォトリフラクティブ素子において回折された画像に歪みを生じさせることなく、従来必要であった消去光の照射に必要な光学系の構成を不要とすることができる光中継装置および光中継方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る光中継装置は、上記課題を解決するために、光入力部から入力された、空間的に並列に伝送される複数の光信号の空間的な配列を変更し、光出力部から出力する光中継装置であって、複数のフォトリフラクティブ基板からなるフォトリフラクティブ素子と、上記各フォトリフラクティブ基板に屈折率格子を形成するための光を照射する光照射手段とを備え、上記光照射手段が、上記各フォトリフラクティブ基板に対して、入力された上記複数の光信号のうち、いずれか１つの光信号が照射される位置にのみ屈折率格子を形成するとともに、各フォトリフラクティブ基板に対応する光信号がそれぞれ互いに異なるように光を照射するとともに、上記屈折率格子によって回折された上記各光信号を上記光出力部から出力することを特徴としている。
【００１６】
また、本発明に係る光中継方法は、複数のフォトリフラクティブ基板からなるフォトリフラクティブ素子を備え、光入力部から入力された、空間的に並列に伝送される複数の光信号の空間的な配列を変更し、光出力部から出力する光中継装置における光中継方法において、上記各フォトリフラクティブ基板に対して、入力された上記複数の光信号のうち、いずれか１つの光信号が照射される位置にのみ屈折率格子を形成するとともに、各フォトリフラクティブ基板に対応する光信号がそれぞれ互いに異なるように光を照射するステップと、上記屈折率格子によって回折された上記各光信号を上記光出力部から出力するステップとを有することを特徴としている。
【００１７】
上記の構成または方法では、まずフォトリフラクティブ素子が、複数のフォトリフラクティブ基板によって構成されている。各フォトリフラクティブ基板には光照射手段によって光が照射され、入力された上記複数の光信号のうち、いずれか１つの光信号が照射される位置にのみ屈折率格子が形成される。また、各フォトリフラクティブ基板に対応する光信号がそれぞれ互いに異なっている。すなわち、入力された複数の光信号は、それぞれ対応するフォトリフラクティブ基板に形成された屈折率格子において回折して出力されることになる。したがって、各フォトリフラクティブ基板における屈折率格子の形成位置に応じて、光入力部から入力された、空間的に並列に伝送される複数の光信号の空間的な配列を変更し、光出力部から出力することが可能となる。
【００１８】
また、従来のフォトリフラクティブ結晶を用いた構成の場合、出力光における画像の歪みを抑制するために、消去光をフォトリフラクティブ結晶に照射することによって屈折率格子の相互作用長を短くする必要があったが、上記本発明の構成または方法によれば、このような処理を行う必要がなくなる。これは、各フォトリフラクティブ基板は、１つの光信号に対応する屈折率格子が形成されればよいので、フォトリフラクティブ基板自体の厚みを薄くすることによって、屈折率格子の相互作用長を短くすることができるからである。すなわち、従来必要であった消去光の照射に必要な光学系の構成を不要とすることができるので、装置コストの低減、装置構成の簡素化、装置サイズの小型化を図ることができる。
【００１９】
なお、空間的に並列に伝送される複数の光信号とは、空間的に独立な強度情報・位相情報を有する信号チャネルを２次元に並べたものであればよい。このような光信号とは、２次元画像や、独立した光通信チャネルを複数束ねた光信号などが挙げられる。例えば、光信号が２次元画像である場合、該２次元画像をピクセルの集合と考えることで、画像の１ピクセルがそれぞれ独立した通信チャネルとみなすことができる。逆に言えば、独立したチャネルの集合体が２次元画像をなしていると考えることも可能である。独立した光通信チャネルを複数束ねた光信号とは、例えばファイバ通信の場合でいえば、複数のファイバを束ねて用いる場合に相当する。
【００２０】
また、本発明に係る光中継装置は、上記の構成において、上記フォトリフラクティブ基板が、有機材料であるフォトリフラクティブポリマーによって構成されている構成としてもよい。
【００２１】
上記の構成では、フォトリフラクティブ基板がフォトリフラクティブポリマーによって構成されている。フォトリフラクティブポリマーの特性としては、単位長さあたりの利得が大きいため（高感度）、無機材料であるフォトリフラクティブ結晶を用いるよりも小さな相互作用長で、フォトリフラクティブ結晶と同等の回折効率を得ることができる。したがって、上記の構成によれば、フォトリフラクティブ結晶を用いる場合と比べて、装置サイズをさらに小型化することが可能となる。
【００２２】
また、フォトリフラクティブポリマーは、典型的な無機フォトリフラクティブ結晶に比べて、媒質の時定数が小さいという特性を有している。よって、上記の構成によれば、屈折率格子の立ち上げを迅速に行うことが可能となるので、高速に配列変換を切り替えることが可能となる。
【００２３】
また、フォトリフラクティブポリマーは、有機化学合成によって生成されるため、結晶の成長によって生成されるフォトリフラクティブ結晶に比べてコストが著しく安価であるというメリットもある。さらに、フォトリフラクティブポリマーは、フォトリフラクティブ結晶と比較して、複雑な形状に成形することも容易であるというメリットもある。
【００２４】
また、本発明に係る光中継装置は、上記の構成において、上記光照射手段が、上記各フォトリフラクティブ基板に対して、ポンプ光を照射するとともに、屈折率格子を形成する部分にのみ光を照射するための光変調素子から出射された制御光を照射するものである構成としてもよい。
【００２５】
上記の構成によれば、偏光４波混合光学系によって屈折率格子の形成および回折による配列変換が実現されることになる。よって、短時間で屈折率格子を形成することが可能となるので、高速な配列変換切り替えを行うことが可能となる。
【００２６】
また、光変調素子によって屈折率格子を形成する箇所を変更することができるので、光変調素子における光出射領域を切り替える制御を行うことによって、任意の位置に屈折率格子を形成することが可能となる。よって、配列変換も容易に行うことができる。
【００２７】
また、本発明に係る光中継装置は、上記の構成において、上記制御光を反射して上記フォトリフラクティブ基板に対して照射するとともに、上記フォトリフラクティブ基板からの回折光を透過して上記光出力部に伝送する偏光ビームスプリッタを備え、上記ポンプ光および制御光を常光線とし、入力される光信号および出力される光信号を異常光線とする構成としてもよい。
【００２８】
上記の構成によれば、交差偏光４波混合光学系によって屈折率格子の形成および回折による配列変換が実現されることになる。交差偏光４波混合を採用した場合、平行偏光４波混合を採用した場合と比較して、次のようなメリットがある。平行偏光４波混合では、入射光と出力光との偏光が同じであるため、ビームスプリッタの設置によって制御光の入射時における分岐損失、および、回折されてきた光信号の分岐損失が発生することになる。この分岐損失は、ビームスプリッタに入射する全ての光波が５０：５０に分岐されることに起因している。これに対して、交差偏光４波混合では、常光線の制御光と異常光線の回折光とが偏光ビームスプリッタに入射するため、常光線を反射し、異常光線を透過する偏光ビームスプリッタによって損失なく光線を分岐することが可能となる。
【００２９】
また、本発明に係る光中継装置は、上記の構成において、上記フォトリフラクティブ素子をｎ個（ｎは２以上の整数）備えるとともに、各フォトリフラクティブ素子に対応して上記光照射手段を備え、入力された光信号が、ｎ−１個のフォトリフラクティブ素子を順次透過し、各フォトリフラクティブ素子において回折された光信号が上記光出力部から出力される構成としてもよい。
【００３０】
フォトリフラクティブ素子に入射される光信号は、基本的には屈折率格子によって回折されることになるが、回折せずにそのままフォトリフラクティブ素子を透過する光も存在する。上記の構成では、この透過光を利用して、次のフォトリフラクティブ素子への入射光信号とするようになっている。ここで、各フォトリフラクティブ素子において、それぞれ異なる配列変換が行われるように光照射手段による光の照射が行われれば、各フォトリフラクティブ素子によって出力される出力光信号を、それぞれ任意の配列変換が行われた状態とすることが可能となる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係る光中継装置は、以上のように、複数のフォトリフラクティブ基板からなるフォトリフラクティブ素子と、上記各フォトリフラクティブ基板に屈折率格子を形成するための光を照射する光照射手段とを備え、上記光照射手段が、上記各フォトリフラクティブ基板に対して、入力された上記複数の光信号のうち、いずれか１つの光信号が照射される位置にのみ屈折率格子を形成するとともに、各フォトリフラクティブ基板に対応する光信号がそれぞれ互いに異なるように光を照射するとともに、上記屈折率格子によって回折された上記各光信号を上記光出力部から出力する構成である。
【００３２】
また、本発明に係る光中継方法は、以上のように、上記各フォトリフラクティブ基板に対して、入力された上記複数の光信号のうち、いずれか１つの光信号が照射される位置にのみ屈折率格子を形成するとともに、各フォトリフラクティブ基板に対応する光信号がそれぞれ互いに異なるように光を照射するステップと、上記屈折率格子によって回折された上記各光信号を上記光出力部から出力するステップとを有する方法である。
【００３３】
これにより、回折された画像に歪みを生じさせることなく、従来必要であった消去光の照射に必要な光学系の構成を不要とすることができるので、装置コストの低減、装置構成の簡素化、装置サイズの小型化を図ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明の一実施形態について図面に基づいて説明すると以下の通りである。本実施形態に係る光中継装置は、空間的に並列に伝送される信号や画像信号の配列を変換して出力する光インターコネクション機能を有する装置である。
【００３５】
（光中継装置の構成）
図２は、本実施形態に係る光中継装置１の概略構成を示している。同図に示すように、光中継装置１は、配列変換部１０、光入力部７、および光出力部８を備えた構成となっている。光入力部７は、空間的に並列に伝送される信号や画像信号を光伝送路から入力し、配列変換部１０に伝送する。配列変換部１０は、光入力部７から入力された空間的に並列に伝送される信号や画像信号（以降、入力画像ＩＰと称する）の配列を変換し、出力画像ＯＰを光出力部８に伝送する。なお、入力画像ＩＰの配列変換処理とは、入力画像ＩＰに含まれる複数の部分画像の配列順番を変換する処理を示している。光出力部８は、配列変換部１０から伝送された出力画像ＯＰを、光伝送路に対して出力する。
【００３６】
配列変換部１０は、光学システム２、光源（光照射手段）３、光分離素子（光照射手段）４、光変調素子５、制御部６、および電圧印加部９を備えた構成となっている。光源３は、光学システム２において用いられる光を供給する光源である。この光源３は、例えばレーザ光源によって構成される。レーザ光源としては、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ、アルゴンイオンレーザ、および半導体レーザなどが挙げられる。
【００３７】
光分離素子４は、光源３から出射された光を分離し、一方をポンプ光ＰＬ（詳細は後述する）として光学システム２に伝送し、他方を制御光ＣＬ（詳細は後述する）の元となる光として光変調素子５に伝送する。この光分離素子４は、例えばミラーやビームスプリッタなどによって構成される。なお、本実施形態では、光学システム２で用いられる光の光源を１つとし、光分離素子４によってポンプ光ＰＬおよび制御光ＣＬに分離する構成となっているが、ポンプ光ＰＬ用光源、および制御光ＣＬ用光源をそれぞれ独立して設ける構成としてもよい。
【００３８】
光変調素子５は、光分離素子４から送られた光に対して各領域毎に光の伝送／非伝送を制御することによって制御光ＣＬを生成し、光学システム２に伝送する。すなわち、光変調素子５は、受光領域を複数の領域に分割し、各領域における光の伝送／非伝送を制御することが可能となっている。この光変調素子５としては、例えば液晶シャッタやＰＬＺＴなどが用いられる。なお、光変調素子５は、光の透過／遮断を制御することによって光の伝送／非伝送を制御するものであってもよいし、光の反射／非反射を制御することによって光の伝送／非伝送を制御するものであってもよい。
【００３９】
制御部６は、光変調素子５の各領域における光の伝送／非伝送制御を行う。この各領域における光の伝送／非伝送制御は、外部からの指示入力に基づいて行われる。言い換えれば、外部から制御部６に対して指示入力を行うことによって、制御光ＣＬの状態を変化させ、配列変換処理を変更することが可能となっている。
【００４０】
光学システム２は、入力画像ＩＰを光学的に処理することによって配列変換を行い、出力画像ＯＰを生成するものであり、フォトリフラクティブ素子１１、偏光ビームスプリッタ１２、およびプリズム１３を備えている。なお、この光学システム２の詳細については後述する。
【００４１】
電圧印加部９は、フォトリフラクティブ素子１１に対して電圧を印加するものであり、これにより、フォトリフラクティブ素子１１内の分子の配向を揃えることが可能となる。
【００４２】
（光学システムの構成）
次に、光学システム２の構成について図１を参照しながら説明する。同図に示す例では、３つの部分画像ｉａ・ｉｂ・ｉｃからなる入力画像ＩＰに対して、各部分画像の配列変換を行い、３つの部分画像ｏａ・ｏｂ・ｏｃからなる出力画像ＯＰを出力する構成となっている。言い換えれば、３チャネルの入力信号の配列変換を行って３チャネルの出力信号を生成する構成となっている。なお、配列変換の対象となる部分画像またはチャネルの数は、３つに限定されるものではなく、２以上の任意の数とすることが可能である。
【００４３】
この例では、フォトリフラクティブ素子１１は、第１〜第３のフォトリフラクティブポリマー１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃが多層化された構成となっている。なお、配列変換の対象となる部分画像またはチャネルの数がｎ（２以上の整数）の場合には、フォトリフラクティブ素子１１は、ｎ層のフォトリフラクティブポリマーが多層化された構成となる。
【００４４】
フォトリフラクティブ素子１１は、光分離素子４（図１においては図示せず）からのポンプ光ＰＬ、偏光ビームスプリッタ１２からの制御光ＣＬ、および、光入力部７（図１においては図示せず）からの入力画像ＩＰを受け、出力画像ＯＰを偏光ビームスプリッタ１２に向けて出射する。また、偏光ビームスプリッタ１２は、光変調素子５（図１においては図示せず）から制御光ＣＬを受け、この制御光ＣＬをフォトリフラクティブ素子１１に対して出射するとともに、フォトリフラクティブ素子１１から出力画像ＯＰを受け、この出力画像ＯＰをプリズム１３に対して出射する。プリズム１３は、偏光ビームスプリッタ１２から出力画像ＯＰを受け、この出力画像ＯＰを光出力部８（図１においては図示せず）に対して出射する。
【００４５】
また、ポンプ光ＰＬおよび制御光ＣＬは常光線となっており、入力画像ＩＰおよび出力画像ＯＰは異常光線となっている。以上のような構成により、光学システム２は、交差偏光４波混合光学系となっている。
【００４６】
（配列変換処理）
次に、図３（ａ）〜図３（ｃ）を参照しながら、光学システム２による配列変換処理の手順について説明する。まず、図３（ａ）を参照しながら、フォトリフラクティブ素子１１に屈折率格子ＲＬが生成される様子について説明する。前記した数１と同じ３行３列の行列Ｃで表される制御光ＣＬが偏光ビームスプリッタ１２に入射される。制御光ＣＬは常光線であるため、偏光ビームスプリッタ１２によってフォトリフラクティブ素子１１方向に反射される。そしてポンプ光ＰＬと制御光ＣＬとがフォトリフラクティブ素子１１に入射する。
【００４７】
フォトリフラクティブ素子１１では、第１のフォトリフラクティブポリマー１１Ａにおいて制御光ＣＬのＡ列に対応する屈折率格子ＲＬが形成され、第２のフォトリフラクティブポリマー１１Ｂにおいて制御光ＣＬのＢ列に対応する屈折率格子ＲＬが形成され、第３のフォトリフラクティブポリマー１１Ｃにおいて制御光ＣＬのＣ列に対応する屈折率格子ＲＬが形成される。これは以下の作用によるものである。
【００４８】
例えば制御光のＡ列が各フォトリフラクティブポリマーを通過する際に、ポンプ光ＰＬと重なる領域は第１のフォトリフラクティブポリマー１１Ａの領域のみとなるので、制御光のＡ列に関しては第１のフォトリフラクティブポリマー１１Ａのみに屈折率格子ＲＬが形成される。同様にして、制御光のＢ列に関しては第２のフォトリフラクティブポリマー１１Ｂのみに屈折率格子ＲＬが形成され、制御光のＣ列に関しては第３のフォトリフラクティブポリマー１１Ｃのみに屈折率格子ＲＬが形成される。すなわち、このような状態が実現されるように、各フォトリフラクティブポリマーの配置位置、ポンプ光ＰＬの入射角度および光領域の幅、制御光ＣＬの入射角度および各列の幅が精確に調整されていることになる。
【００４９】
以上のようにフォトリフラクティブ素子１１内に屈折率格子ＲＬが形成された後に、図３（ｂ）に示すように、入力画像ＩＰがフォトリフラクティブ素子１１に対してポンプ光ＰＬと対向伝搬するように照射される。すると、入力部分画像ｉａはポンプ光ＰＬとＣ列の制御光ＣＬとで誘起された屈折率格子ＲＬによって４波混合が生じ、制御光ＣＬの入射方向（偏光ビームスプリッタ１２の方向）に回折される。同様に入力部分画像ｉｂ・ｉｃはポンプ光ＰＬと、Ａ・Ｂ列の制御光ＣＬとで誘起された屈折率格子ＲＬによって偏光ビームスプリッタ１２の方向に回折される。回折された各入力部分画像は異常光線であるため、図３（ｂ）のように偏光ビームスプリッタ１２を透過する。偏光ビームスプリッタ１２を透過した各回折画像は高さがそれぞれ違うため、プリズム１３によって同じ高さに揃えられる。これによって入力画像ＩＰにおける各入力部分画像と、出力画像ＯＰにおける各出力部分画像との１対１接続が実現される。
【００５０】
また、配列変換のパターンを変更する際には、図３（ｃ）に示すように、制御光ＣＬにおける行列Ｃを変更すればよい。このように、制御光ＣＬにおける行列Ｃを変更することによって、入力画像ＩＰにおける各入力部分画像の配列はそのままで、出力画像ＯＰにおける各出力部分画像の配列を変更することができる。
【００５１】
（制御光による出力画像の位置制御の詳細）
図４は、制御光ＣＬによる出力画像ＯＰの位置制御の状態を示している。この図では、３枚に並べられたフォトリフラクティブポリマー１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃに入射された１枚の入力部分画像ｉａが、２枚目のフォトリフラクティブポリマー１１Ｂ内で誘起された屈折率格子ＲＬによって回折され出力されている。制御光ＣＬによる行列Ｃのパターンは任意に変更できるため、屈折率格子ＲＬは任意のフォトリフラクティブポリマー内で誘起させることが可能である。屈折率格子ＲＬが誘起される位置によって得られる出力部分画像の位置は変化する。したがって、制御光ＣＬによる行列Ｃのパターンによって出力部分画像の位置を制御することが可能となることがわかる。
【００５２】
図４に示す例では、入力部分画像３枚を縦１列に並べ、３行３列のマトリックスパターンで与えられる制御光ＣＬを用いることによって、縦に配列された入力部分画像の配列（順番）を並べ替えて、３枚横１列の出力部分画像を出力する全光インターコネクションが実現される。
【００５３】
（フォトリフラクティブポリマーによる回折）
次に、フォトリフラクティブポリマーによる回折作用について図５を参照しながら説明する。フォトリフラクティブポリマー１１Ｘは、媒質自体の厚さ（相互作用長）ｄが10μｍオーダーとなっている。よって、フォトリフラクティブポリマー１１Ｘ内に誘起される屈折率格子ＲＬも１０μｍオーダーの薄いものとなる。そのため、入力画像ＩＰは歪みなく回折され、出力画像ＯＰにおける水平方向への歪みは生じない。
【００５４】
また、フォトリフラクティブポリマーはフォトリフラクティブ結晶に比べて高い結合係数を有している。具体的には、フォトリフラクティブポリマーは最大で１３０００（１／ｍ）程度の結合係数を有しているが（例えば非特許文献３参照）、フォトリフラクティブ結晶（ＢａＴｉＯ３）は異常光線でおおよそ１７００（１／ｍ）前後の結合係数を有している。よって、フォトリフラクティブポリマーは、相互作用長が短くても、フォトリフラクティブ結晶と同等もしくはそれ以上の効率で入力画像を回折することができる。以下に、このことについてより詳細に説明する。
【００５５】
フォトリフラクティブポリマーは有機材料である一方、フォトリフラクティブ結晶は無機材料である。フォトリフラクティブポリマーの特性としては、単位長さあたりの利得が大きいため(高感度)、無機材料であるフォトリフラクティブ結晶を用いるよりも小さな相互作用長で、フォトリフラクティブ結晶と同等の回折効率を得ることができる。具体的には、フォトリフラクティブポリマーは、フォトリフラクティブ結晶の１／１０程度の相互作用長で同等な性能を得ることができる。したがって、フォトリフラクティブポリマーを用いる構成によれば、フォトリフラクティブ結晶を用いる場合と比べて、光学システム２をよりコンパクトに構成することが可能となる。
【００５６】
なお、回折効率は、結合係数と相互作用長との積で表される結合強度に依存するものである。すなわち、入力画像を回折させるにはある程度の結合強度が必要なため、相互作用長が薄いときは結合係数がより高い媒質を用いる必要がある。一般的には厚いフォトリフラクティブポリマーを用いれば回折効率は大きくなる。しかしながら、フォトリフラクティブポリマーを厚くしすぎると吸収損失も大きくなり、透過する光が弱くなるので、フォトリフラクティブポリマーの相互作用長としては１０〜１００μｍであることが望ましい。ただし、実際には、フォトリフラクティブポリマーの作成上の制約や用いる波長などに応じて、フォトリフラクティブポリマーの相互作用長を設定する必要がある。
【００５７】
また、フォトリフラクティブポリマーは、典型的な無機フォトリフラクティブ結晶に比べて、媒質の時定数が小さいという特性を有している。ここでいう時定数とは、応答速度のことであり、具体的には、媒質内に誘起される屈折率格子の立ち上がり時間を想定している。無機フォトリフラクティブ結晶の場合では立ち上がり時間は秒オーダーである一方、フォトリフラクティブポリマーの場合では数ミリ秒〜数１０ミリ秒のオーダーとなる（非特許文献３参照）。よって、フォトリフラクティブポリマーを用いれば、屈折率格子の立ち上げを迅速に行うことが可能となるので、高速に配列変換を切り替えることが可能となり、動画データの中継なども可能とすることが期待できる。
【００５８】
また、フォトリフラクティブポリマーは、フォトリフラクティブ結晶に比べてコストが著しく安価であるというメリットもある。詳しく説明すると、フォトリフラクティブ結晶は、例えばＢａＴｉＯ３結晶の場合、５ｍｍ角くらいの大きさまで成長させるのに時間がかかるため、非常に高価である一方、フォトリフラクティブポリマーは、有機化学合成によって生成されるため、材料コストは著しく安価である。
【００５９】
さらに、フォトリフラクティブ結晶は、上記のように困難な成長プロセスを経て形成されるため、コストがかかるだけでなく、加工性も良くない。よって、材料選択の自由度が限られている。これに対し、有機フォトリフラクティブポリマーは安価で、複雑な形状に成形することも容易である。また、フォトリフラクティブポリマーに代表される有機媒質では、現在でも新物質が次々と発見され，合成手法の進歩により新分子構造をもつ物質が数多く合成されるなど，材料選択の自由度は極めて高いというメリットもある。
【００６０】
（光学システムの別の構成例）
次に、光学システム２の別の構成例について説明する。図１に示した構成では、光学システム２は交差偏光４波混合光学系となっているが、図６に示すように、平行偏光４波混合光学系による構成としてもよい。図１に示す構成と異なる点は、偏光ビームスプリッタ１２の代わりにビームスプリッタ１２Ａが設けられている点である。また、フォトリフラクティブ素子１１に入射される入力画像ＩＰ、ポンプ光ＰＬ、および制御光ＣＬの偏光がすべて同一に設定される。他の構成については図１に示した構成と同様であるので、ここではその説明を省略する。以上のような平行偏光４波混合光学系によっても、上記と同様の配列変換動作を行うことが可能である。
【００６１】
しかしながら、光学システム２を構成する光学系として、交差偏光４波混合光学系を用いる方が、平行偏光４波混合光学系を用いるよりも好ましい。以下にこの理由について説明する。
【００６２】
交差偏光４波混合は、結合係数が低いとされる常光線を用いてフォトリフラクティブ素子１１内に屈折率格子ＲＬを誘起することになるので、異常光線の回折効率が平行偏光４波混合に比べて低い。詳しく説明すると、回折効率は一般に媒質の結合強度に依存する。結合強度は媒質の相互作用長と結合係数との積で表されるが、この場合は相互作用長が同じであることを想定しているので、結合係数が高い方が回折効率が高いことになる。ここで、結合係数は、異常光線の方が常光線に比べて高いので、結合係数の低い常光線によって屈折率格子を生成する方が、異常光線同士で生成する場合よりも回折効率が低くなる。
【００６３】
しかしながら、平行偏光４波混合では、入射光と出力光との偏光が同じであるため、ビームスプリッタ１２Ａの設置によって制御光ＣＬの入射時における分岐損失、および、回折されてきた入力画像ＩＰの分岐損失が発生することになる。この分岐損失は、ビームスプリッタ１２Ａに入射する全ての光波が５０:５０に分岐されることに起因している。これに対して、交差偏光４波混合では、常光線の制御光ＣＬと異常光線の入力画像ＩＰとを用いているため、常光線を反射し、異常光線を透過する偏光ビームスプリッタ１２によって損失なく光線を分岐することが可能である。
【００６４】
すなわち、交差偏光４波混合光学系を用いる場合、平行偏光４波混合光学系を用いる場合と比較して、結合係数が低いことによって回折効率の低下が生じるが、偏光ビームスプリッタ１２による分岐損失は低くなる。ここで、回折効率の低下と分岐損失の低下を比較した場合、実際には分岐損失の低下の効果が大きいので、交差偏光４波混合光学系を用いる方が、平行偏光４波混合光学系用いるよりも光の利用効率が高いことになる。
【００６５】
なお、ビームファニング現象を生じさせることが可能なフォトリフラクティブポリマーを用いることが可能である場合には、フォトリフラクティブポリマーに対して相対する面から２本の入射光を互いの位相共役光として返す相互励起型位相共役鏡を用いる方式も考えられる。ビームファニング現象とは、結晶内の不純物や媒質端面での光の散乱によってフォトリフラクティブポリマー内で入射光が扇状に広がる現象である。ただし、この現象を介してから屈折率格子を形成する必要があるので、屈折率格子の生成のために長い時間を要する点が問題となる。
【００６６】
（複数の出力画像を出力する構成）
次に、１つの入力画像ＩＰに対して、複数種類の配列変換を行い、それぞれの配列変換に対応した複数の出力画像ＯＰを出力する構成について説明する。図７は、これを実現する構成の概略を示している。同図に示すように、この例における光学システム２は、図１に示す構成を複数設けた構成となっている。なお、図７においては、フォトリフラクティブ素子１１が複数設けられている状態のみが示されているが、実際には、各フォトリフラクティブ素子１１に対応して偏光ビームスプリッタ１２およびプリズム１３が設けられている。
【００６７】
図１に示す構成では、入力画像ＩＰを図７におけるＡで示す光学系によって配列変換を行っているが、Ａで示す光学系におけるフォトリフラクティブ素子１１において、入力画像ＩＰのうち、偏光ビームスプリッタ１２方向へ回折せずに、そのまま透過する光が存在する。図７におけるＢで示す光学系は、Ａで示す光学系において回折されなかった光を利用して配列変換を行うものとなっている。同様に、Ｃで示す光学系は、さらにＢで示す光学系において回折されなかった光を利用して配列変換を行うものとなっている。
【００６８】
ここで、Ａで示す光学系、Ｂで示す光学系、およびＣで示す光学系において用いる制御光ＣＬによる行列Ｃをそれぞれ任意に設定すれば、Ａで示す光学系、Ｂで示す光学系、およびＣで示す光学系で出力される出力画像ＯＰ１、ＯＰ２、およびＯＰ３を、それぞれ任意の配列変換が行われた状態で出力することが可能となる。
【００６９】
なお、上記の構成の場合、Ａで示す光学系、Ｂで示す光学系、およびＣで示す光学系のそれぞれのフォトリフラクティブ素子１１に入射される入力画像ＩＰの光量はそれぞれ異なることになる。例えば、Ａで示す光学系への入力時点で光量が１００であった入力画像ＩＰは、Ａで示す光学系におけるフォトリフラクティブ素子１１を透過する際に回折光分の光量が減少するので、Ｂで示す光学系におけるフォトリフラクティブ素子１１に入射する時点では（１００−Ａでの回折分）の光量となる。したがって、Ｂで示す光学系での制御光ＣＬの光量を、Ａで示す光学系における制御光ＣＬの光量と同じにしていては、最適な回折効率が得られなくなる。よって、各光学系における制御光ＣＬの光量を、各光学系における入力画像ＩＰの入射光量に応じて適宜調整することが好ましい。
【００７０】
（実験結果）
次に、図１に示すような、フォトリフラクティブポリマーを用いた交差偏光４波混合光学系によって入力画像が歪みなく回折されることを確認した実験結果について説明する。図８は、その実験系を示す。同図において、Ｍ、Ｌ、ＰＢＳ、ＨＷＰ、およびＬＭはそれぞれミラー、レンズ、偏光ビームスプリッタ、半波長板、および入力画像生成用光変調素子を示している。また、光の経路を示す線において、破線は常光線、実線は異常光線を示している。
【００７１】
本実験で用いるフォトリフラクティブポリマーは、ＰＡＴＰＤ（tetra-Phenyl-Diphenyldiamine acrylate homopolymer）である。光源には６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを用いた。レンズＬ１の焦点距離は５００ｍｍ、レンズＬ２、Ｌ３の焦点距離は１００ｍｍである。
【００７２】
ここで、入力画像を高い回折効率で出力画像として得るためには、フォトリフラクティブポリマー内の分子の配向が揃っていることが好ましい。そのために、フォトリフラクティブポリマーに外部電界を加えている。本実験ではフォトリフラクティブポリマーをはさむガラス板に付着している透明電極に９０Ｖ／ｍｍの外部電界を加えた。また、信号光・ポンプ光は互いに異なる入射面からフォトリフラクティブポリマーの表面に対してともに６０度の角度で入射される。制御光はポンプ光側の入射面からフォトリフラクティブポリマー表面に対して１５度の角度で入射される。
【００７３】
Ｈｅ−Ｎｅレーザから出射された光は、ＰＢＳ１によって異常光線と常光線とに分離される。異常光線は、光変調素子ＬＭを通過することによって入力画像が形成され、信号光としてフォトリフラクティブポリマーに入射する。一方、ＰＢＳ１によって分離された常光線は、ＰＢＳ３によって常光線と異常光線とに分離され、常光線は制御光としてフォトリフラクティブポリマーに入射し、異常光線はポンプ光としてフォトリフラクティブポリマーに入射する。フォトリフラクティブポリマーによる回折光は、レンズＬ２を介してＣＣＤ１に照射され、信号光がフォトリフラクティブポリマーを透過した光は、レンズＬ３を介してＣＣＤ２に照射される。すなわち、ＣＣＤ１による検出画像が、出力画像に相当するものであり、ＣＣＤ２による検出画像が、入力画像に相当する。
【００７４】
なお、ポンプ光（常光線）と制御光（常光線）とによって媒質中に屈折率格子が形成されるが、本実験は回折される画像の質を確認するためのものであるので、制御光にはマスクを与えていない。屈折率格子が形成されたあと、フォトリフラクティブポリマーに信号光として図９に示すような３枚の入力画像を入射させる。
【００７５】
入力画像は屈折率格子によって制御光方向に回折される。回折された出力画像を図１０に示す。同図に示すように、出力画像はほぼ歪みなく回折されていることがわかる。出力画像の歪みは厚い屈折率格子によって入力画像が回折されたときに起こる。フォトリフラクティブ結晶を用いた場合では消去光を照射することによって屈折率格子が薄く誘起されるようにし、出力画像の歪みを抑制してきた。これに対して、本実施形態の構成のように、薄いフォトリフラクティブポリマーを用いることによって消去光なしにくっきりとした画像を回折することが可能であることが確認された。
【００７６】
また、制御光を遮断すると、フォトリフラクティブポリマー内に屈折率格子が誘起されないことになる。そのため、入力画像は回折されず透過した入力画像のみがＣＣＤ２において観測された。すなわち、回折画像のＯＮ／ＯＦＦが制御光によって全光学的に切り替えられることが確認された。
【００７７】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明に係る光中継装置は、ボード間光通信などで用いられる光中継装置に適用することが可能である。これはコンピュータの高速化・低発熱化を目的に、ＣＰＵ、メモリ、ボード間の通信を光におきかえる場合に好適に用いることができる。
【００７９】
また、本発明に係る光中継装置は、ホログラフィックメモリ内に多重記録されたページデータの切り替えなどにも利用可能である。ホログラフィックメモリでは、２次元情報としてデータが記録されているので、複数の２次元情報を、１次元（シリアル）に変換することなく、光のままコピー、あるいは、交換することが可能となる。
【００８０】
また、光・電気変換の限界速度を超える超高速光通信においては、１本の伝送路に全信号をシリアル変換することは困難であるので、複数の伝送路に並走されるパラレル伝送方式に優位性がある。このようなパラレル伝送路間の信号の切り替えや接続のために本発明に係る光中継装置を適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の一実施形態に係る光中継装置が備える光学システムの概略構成を示す斜視図である。
【図２】上記光中継装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】同図（ａ）〜同図（ｃ）は、上記光学システムによる配列変換処理の手順を示す図である。
【図４】制御光による出力画像の位置制御の状態を示す図である。
【図５】フォトリフラクティブポリマーによる回折の状態を示す図である。
【図６】平行偏光４波混合光学系によって構成した場合の光学システムの概略を示す斜視図である。
【図７】１つの入力画像に対して、複数種類の配列変換を行い、それぞれの配列変換に対応した複数の出力画像を出力する構成を示す図である。
【図８】フォトリフラクティブポリマーを用いた交差偏光４波混合光学系によって入力画像が歪みなく回折されることを確認した実験の実験系を示す図である。
【図９】実験で用いた入力画像を示す図である。
【図１０】実験結果としての出力画像を示す図である。
【図１１】従来の光インターコネクションにおける光学系を示す図である。
【図１２】同図（ａ）は、結晶の相互作用長が長い場合に出力画像に歪みが生じた状態を示す図であり、同図（ｂ）は、消去光を照射することによって屈折率格子の厚みを薄くした状態を示す図であり、同図（ｃ）は、消去光の断面を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１ 光中継装置
２ 光学システム
３ 光源（光照射手段）
４ 光分離素子（光照射手段）
５ 光変調素子
６ 制御部
７ 光入力部
８ 光出力部
９ 電圧印加部
１０ 配列変換部
１１ フォトリフラクティブ素子
１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃ・１１Ｘ フォトリフラクティブポリマー
１２ 偏光ビームスプリッタ
１２Ａ ビームスプリッタ
１３ プリズム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間的に並列に伝送される複数の光信号の空間的な配列を変更し、出力する光中継装置および光中継方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
情報を光信号として伝送する際の切り替えや接続を行う装置としての光インターコネクションが多種提案されている。この光インターコネクションにおいて、従来、光信号を電気信号に一旦変換してコネクション処理を行い、その後再度光信号に変換する処理が行われるものがある。
【０００３】
このような光−電気変換型の光インターコネクションは、光−電気変換によって生じる電磁干渉や発熱などの問題を有している。また、光信号がパラレルで伝送される場合には、光−電気変換型の光インターコネクションは、次のような中継処理を行うことになる。まず、入力された光画像（パラレル信号）が電気信号に変換され、電気信号においてパラレル・シリアル変換が行われる。その後、シリアル電気信号が光信号に変換され、光伝送路に送出される。そして、光伝送路の受信側は、これとは逆の手順を行うことによって、光画像（パラレル信号）を得る。すなわち、光−電気変換型の光インターコネクションは、パラレル−シリアル変換、およびシリアル−パラレル変換が行われることによる処理時間の長大化という問題も有している。
【０００４】
以上のような光−電気変換型の光インターコネクションが有する問題を解決する手法の一つとして、フォトリフラクティブ材料を媒質として用いた全光インターコネクションが提案されている。この全光インターコネクションは、１対１だけでなく１対多、多対多接続の制御に光を用いることができるので、任意の接続パターンを全光学的に構築することができる（非特許文献１参照）。
【０００５】
通信に光信号を用いることは、光の高速性による高速通信が実現されるだけでなく、同時に光の空間並列性を利用することによる高速通信をも実現することが可能となる。これは、全光インターコネクションが、ピクセルデータからなる２次元画像データのような空間的に並列な光信号をそのまま利用できることを意味する。すなわち、全光インターコネクションが画像を直接操作することによって、これまで膨大な処理時間が必要とされてきた２次元画像データと１次元時系列信号との変換処理が不要となる。その上でこの画像を複数個一括して接続することによって、より高速で大容量の通信が実現できる。
【０００６】
従来、空間的に並列な信号および画像を直接接続する全光インターコネクションは、ＢａＴｉＯ３やＬｉＮｂＯ３などの電気光学結晶を用いて、図１１に示すような光学系によって実現されている（非特許文献２参照）。この光学系は、フォトリフラクティブ結晶１０１、偏光ビームスプリッタ１０２、およびプリズム１０３を備えている。同図に示す例では、ポンプ光ＰＬ、および、屈折率格子ＲＬの誘起を制御する３行３列のマトリックス状の制御光ＣＬはともに常光線であり、入力画像ＩＰおよび出力画像ＯＰはともに異常光線である交差偏光４波混合系が用いられている。まず、以下の３行３列の行列Ｃで表される制御光ＣＬが偏光ビームスプリッタ１０２に入射される。
【０００７】
【数１】
【０００８】
ここで、行列Ｃの各要素において、０は制御光ＣＬの暗部を示しており、１は制御光ＣＬの明部、つまり制御光ＣＬの照射を示している。制御光ＣＬは常光線であるため、偏光ビームスプリッタ１０２によってフォトリフラクティブ結晶１０１方向に反射される。この制御光ＣＬとともにフォトリフラクティブ結晶１０１に入射されたポンプ光ＰＬによって、フォトリフラクティブ結晶１０１内にマトリックスパターンに応じた屈折率格子ＲＬが誘起される。この屈折率格子ＲＬはインターコネクションにおける乗算器としての役割を果たす。
【０００９】
以上のように誘起された屈折率格子ＲＬに対して、ポンプ光ＰＬと対向伝搬になる方向から、縦１列に並べられた入力画像ＩＰがフォトリフラクティブ結晶１０１内へ入射すると、入力画像ＩＰは屈折率格子ＲＬによって制御光ＣＬの入射方向（偏光ビームスプリッタ１０２の方向）に回折される。回折された入力画像ＩＰは異常光線であるため、偏光ビームスプリッタ１０２を透過する。偏光ビームスプリッタ１０２を透過した画像光は、さらにプリズム１０３によって横１列に揃えられ、出力画像ＯＰとして出力される。
【００１０】
上記の過程を経ることにより、入力画像ＩＰと出力画像ＯＰとの接続パターンとして、入力部分画像ｉａ−出力部分画像ｏＣ、入力部分画像ｉｂ−出力部分画像ｏＡ、入力部分画像ｉｃ−出力部分画像ｏＢが形成され、各入力部分画像と各出力部分画像との１対１接続が実現される。接続パターンの変更は、制御光ＣＬのマトリックス状のパターンを変更することによって任意に実現される。
【非特許文献１】P. Yeh, Introduction to Photorefractive Nonlinear Optics, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1993.
【非特許文献２】T. Kaneda, A. Okamoto, S. Honma, T. Nakada, and K. Sato, “Optical image connector with photorefractive four-wave mixing,” Proc. 2nd International Conference on Optical Design and Fabrication (ODF2000), no.P27, pp.229-232, Tokyo, Japan, Nov. 2000.
【非特許文献３】Symthetic studies of TPD (tetra-phenyl-diphenyldiamine) acrylate based polymers and their composition photorefractive performances, M. Yamamoto,J. K. Cammack, S. Ciccotti, P. Wang, Nitto Denko Technical Co.; J.Thomas, B. Kippelen, G. R. Meredith, S. R. Marder, Univ. of Arizona, Proceedings of SPIE Vol.4991-57, 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
屈折率格子が生成される媒質として、ＢａＴｉＯ３に代表されるフォトリフラクティブ結晶を用いた場合、結晶の相互作用長（媒質の厚み）がｍｍオーダーであるため、媒質内の屈折率格子も同様の厚さで誘起されうることになる。図１２（ａ）に示すように、屈折率格子が厚くなると、それだけ入力画像ＩＰが屈折率格子内を伝搬する距離ｄが長くなる。屈折率格子内では入力画像ＩＰは制御光ＣＬ方向に回折されるため、この伝搬距離ｄが長いと、屈折率格子において回折された出力画像ＯＰは、同図に示すように水平方向に歪んだ画像となる。
【００１２】
出力画像の歪みを改善するためには屈折率格子が相互作用領域内に薄く誘起される必要がある。従来は、図１２（ｂ）に示すように、フォトリフラクティブ結晶１０１の上端から、一様でインコヒーレントな消去光ＥＬを屈折率格子が誘起されうる相互作用領域の大部分に照射する手法が用いられている。ここで、消去光ＥＬは、図１２（ｃ）に示すように、大部分が明部であり、その１つの対角線付近に幅の狭い暗部が設けられている光となっている。これにより、フォトリフラクティブ結晶１０１内に、幅ｄの狭い屈折率格子が残ることになる。このような状態にすれば、入力画像ＩＰが屈折率格子内を伝搬する距離ｄが短くなるので、出力画像ＯＰにおける水平方向への歪みを抑制することができる。
【００１３】
しかしながら、この手法を用いる場合、フォトリフラクティブ結晶上端から消去光を照射するための構成を設けることによる光学系の大型化や、各相互作用領域に対して同様の制御を行うことによる光学系の複雑化を招く。また、消去光の照射によって屈折率格子の相互作用長が短くなるため、回折効率の低下も懸念される。さらに、結晶の相互作用長がｍｍオーダーであるフォトリフラクティブ結晶は基本的に高価であり、装置コストの上昇を招くという問題もある。
【００１４】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、フォトリフラクティブ素子において回折された画像に歪みを生じさせることなく、従来必要であった消去光の照射に必要な光学系の構成を不要とすることができる光中継装置および光中継方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る光中継装置は、上記課題を解決するために、光入力部から入力された、空間的に並列に伝送される複数の光信号の空間的な配列を変更し、光出力部から出力する光中継装置であって、複数のフォトリフラクティブ基板からなるフォトリフラクティブ素子と、上記各フォトリフラクティブ基板に屈折率格子を形成するための光を照射する光照射手段とを備え、上記光照射手段が、上記各フォトリフラクティブ基板に対して、入力された上記複数の光信号のうち、いずれか１つの光信号が照射される位置にのみ屈折率格子を形成するとともに、各フォトリフラクティブ基板に対応する光信号がそれぞれ互いに異なるように光を照射するとともに、上記屈折率格子によって回折された上記各光信号を上記光出力部から出力することを特徴としている。
【００１６】
また、本発明に係る光中継方法は、複数のフォトリフラクティブ基板からなるフォトリフラクティブ素子を備え、光入力部から入力された、空間的に並列に伝送される複数の光信号の空間的な配列を変更し、光出力部から出力する光中継装置における光中継方法において、上記各フォトリフラクティブ基板に対して、入力された上記複数の光信号のうち、いずれか１つの光信号が照射される位置にのみ屈折率格子を形成するとともに、各フォトリフラクティブ基板に対応する光信号がそれぞれ互いに異なるように光を照射するステップと、上記屈折率格子によって回折された上記各光信号を上記光出力部から出力するステップとを有することを特徴としている。
【００１７】
上記の構成または方法では、まずフォトリフラクティブ素子が、複数のフォトリフラクティブ基板によって構成されている。各フォトリフラクティブ基板には光照射手段によって光が照射され、入力された上記複数の光信号のうち、いずれか１つの光信号が照射される位置にのみ屈折率格子が形成される。また、各フォトリフラクティブ基板に対応する光信号がそれぞれ互いに異なっている。すなわち、入力された複数の光信号は、それぞれ対応するフォトリフラクティブ基板に形成された屈折率格子において回折して出力されることになる。したがって、各フォトリフラクティブ基板における屈折率格子の形成位置に応じて、光入力部から入力された、空間的に並列に伝送される複数の光信号の空間的な配列を変更し、光出力部から出力することが可能となる。
【００１８】
また、従来のフォトリフラクティブ結晶を用いた構成の場合、出力光における画像の歪みを抑制するために、消去光をフォトリフラクティブ結晶に照射することによって屈折率格子の相互作用長を短くする必要があったが、上記本発明の構成または方法によれば、このような処理を行う必要がなくなる。これは、各フォトリフラクティブ基板は、１つの光信号に対応する屈折率格子が形成されればよいので、フォトリフラクティブ基板自体の厚みを薄くすることによって、屈折率格子の相互作用長を短くすることができるからである。すなわち、従来必要であった消去光の照射に必要な光学系の構成を不要とすることができるので、装置コストの低減、装置構成の簡素化、装置サイズの小型化を図ることができる。
【００１９】
なお、空間的に並列に伝送される複数の光信号とは、空間的に独立な強度情報・位相情報を有する信号チャネルを２次元に並べたものであればよい。このような光信号とは、２次元画像や、独立した光通信チャネルを複数束ねた光信号などが挙げられる。例えば、光信号が２次元画像である場合、該２次元画像をピクセルの集合と考えることで、画像の１ピクセルがそれぞれ独立した通信チャネルとみなすことができる。逆に言えば、独立したチャネルの集合体が２次元画像をなしていると考えることも可能である。独立した光通信チャネルを複数束ねた光信号とは、例えばファイバ通信の場合でいえば、複数のファイバを束ねて用いる場合に相当する。
【００２０】
また、本発明に係る光中継装置は、上記の構成において、上記フォトリフラクティブ基板が、有機材料であるフォトリフラクティブポリマーによって構成されている構成としてもよい。
【００２１】
上記の構成では、フォトリフラクティブ基板がフォトリフラクティブポリマーによって構成されている。フォトリフラクティブポリマーの特性としては、単位長さあたりの利得が大きいため（高感度）、無機材料であるフォトリフラクティブ結晶を用いるよりも小さな相互作用長で、フォトリフラクティブ結晶と同等の回折効率を得ることができる。したがって、上記の構成によれば、フォトリフラクティブ結晶を用いる場合と比べて、装置サイズをさらに小型化することが可能となる。
【００２２】
また、フォトリフラクティブポリマーは、典型的な無機フォトリフラクティブ結晶に比べて、媒質の時定数が小さいという特性を有している。よって、上記の構成によれば、屈折率格子の立ち上げを迅速に行うことが可能となるので、高速に配列変換を切り替えることが可能となる。
【００２３】
また、フォトリフラクティブポリマーは、有機化学合成によって生成されるため、結晶の成長によって生成されるフォトリフラクティブ結晶に比べてコストが著しく安価であるというメリットもある。さらに、フォトリフラクティブポリマーは、フォトリフラクティブ結晶と比較して、複雑な形状に成形することも容易であるというメリットもある。
【００２４】
また、本発明に係る光中継装置は、上記の構成において、上記光照射手段が、上記各フォトリフラクティブ基板に対して、ポンプ光を照射するとともに、屈折率格子を形成する部分にのみ光を照射するための光変調素子から出射された制御光を照射するものである構成としてもよい。
【００２５】
上記の構成によれば、偏光４波混合光学系によって屈折率格子の形成および回折による配列変換が実現されることになる。よって、短時間で屈折率格子を形成することが可能となるので、高速な配列変換切り替えを行うことが可能となる。
【００２６】
また、光変調素子によって屈折率格子を形成する箇所を変更することができるので、光変調素子における光出射領域を切り替える制御を行うことによって、任意の位置に屈折率格子を形成することが可能となる。よって、配列変換も容易に行うことができる。
【００２７】
また、本発明に係る光中継装置は、上記の構成において、上記制御光を反射して上記フォトリフラクティブ基板に対して照射するとともに、上記フォトリフラクティブ基板からの回折光を透過して上記光出力部に伝送する偏光ビームスプリッタを備え、上記ポンプ光および制御光を常光線とし、入力される光信号および出力される光信号を異常光線とする構成としてもよい。
【００２８】
上記の構成によれば、交差偏光４波混合光学系によって屈折率格子の形成および回折による配列変換が実現されることになる。交差偏光４波混合を採用した場合、平行偏光４波混合を採用した場合と比較して、次のようなメリットがある。平行偏光４波混合では、入射光と出力光との偏光が同じであるため、ビームスプリッタの設置によって制御光の入射時における分岐損失、および、回折されてきた光信号の分岐損失が発生することになる。この分岐損失は、ビームスプリッタに入射する全ての光波が５０：５０に分岐されることに起因している。これに対して、交差偏光４波混合では、常光線の制御光と異常光線の回折光とが偏光ビームスプリッタに入射するため、常光線を反射し、異常光線を透過する偏光ビームスプリッタによって損失なく光線を分岐することが可能となる。
【００２９】
また、本発明に係る光中継装置は、上記の構成において、上記フォトリフラクティブ素子をｎ個（ｎは２以上の整数）備えるとともに、各フォトリフラクティブ素子に対応して上記光照射手段を備え、入力された光信号が、ｎ−１個のフォトリフラクティブ素子を順次透過し、各フォトリフラクティブ素子において回折された光信号が上記光出力部から出力される構成としてもよい。
【００３０】
フォトリフラクティブ素子に入射される光信号は、基本的には屈折率格子によって回折されることになるが、回折せずにそのままフォトリフラクティブ素子を透過する光も存在する。上記の構成では、この透過光を利用して、次のフォトリフラクティブ素子への入射光信号とするようになっている。ここで、各フォトリフラクティブ素子において、それぞれ異なる配列変換が行われるように光照射手段による光の照射が行われれば、各フォトリフラクティブ素子によって出力される出力光信号を、それぞれ任意の配列変換が行われた状態とすることが可能となる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係る光中継装置は、以上のように、複数のフォトリフラクティブ基板からなるフォトリフラクティブ素子と、上記各フォトリフラクティブ基板に屈折率格子を形成するための光を照射する光照射手段とを備え、上記光照射手段が、上記各フォトリフラクティブ基板に対して、入力された上記複数の光信号のうち、いずれか１つの光信号が照射される位置にのみ屈折率格子を形成するとともに、各フォトリフラクティブ基板に対応する光信号がそれぞれ互いに異なるように光を照射するとともに、上記屈折率格子によって回折された上記各光信号を上記光出力部から出力する構成である。
【００３２】
また、本発明に係る光中継方法は、以上のように、上記各フォトリフラクティブ基板に対して、入力された上記複数の光信号のうち、いずれか１つの光信号が照射される位置にのみ屈折率格子を形成するとともに、各フォトリフラクティブ基板に対応する光信号がそれぞれ互いに異なるように光を照射するステップと、上記屈折率格子によって回折された上記各光信号を上記光出力部から出力するステップとを有する方法である。
【００３３】
これにより、回折された画像に歪みを生じさせることなく、従来必要であった消去光の照射に必要な光学系の構成を不要とすることができるので、装置コストの低減、装置構成の簡素化、装置サイズの小型化を図ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明の一実施形態について図面に基づいて説明すると以下の通りである。本実施形態に係る光中継装置は、空間的に並列に伝送される信号や画像信号の配列を変換して出力する光インターコネクション機能を有する装置である。
【００３５】
（光中継装置の構成）
図２は、本実施形態に係る光中継装置１の概略構成を示している。同図に示すように、光中継装置１は、配列変換部１０、光入力部７、および光出力部８を備えた構成となっている。光入力部７は、空間的に並列に伝送される信号や画像信号を光伝送路から入力し、配列変換部１０に伝送する。配列変換部１０は、光入力部７から入力された空間的に並列に伝送される信号や画像信号（以降、入力画像ＩＰと称する）の配列を変換し、出力画像ＯＰを光出力部８に伝送する。なお、入力画像ＩＰの配列変換処理とは、入力画像ＩＰに含まれる複数の部分画像の配列順番を変換する処理を示している。光出力部８は、配列変換部１０から伝送された出力画像ＯＰを、光伝送路に対して出力する。
【００３６】
配列変換部１０は、光学システム２、光源（光照射手段）３、光分離素子（光照射手段）４、光変調素子５、制御部６、および電圧印加部９を備えた構成となっている。光源３は、光学システム２において用いられる光を供給する光源である。この光源３は、例えばレーザ光源によって構成される。レーザ光源としては、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ、アルゴンイオンレーザ、および半導体レーザなどが挙げられる。
【００３７】
光分離素子４は、光源３から出射された光を分離し、一方をポンプ光ＰＬ（詳細は後述する）として光学システム２に伝送し、他方を制御光ＣＬ（詳細は後述する）の元となる光として光変調素子５に伝送する。この光分離素子４は、例えばミラーやビームスプリッタなどによって構成される。なお、本実施形態では、光学システム２で用いられる光の光源を１つとし、光分離素子４によってポンプ光ＰＬおよび制御光ＣＬに分離する構成となっているが、ポンプ光ＰＬ用光源、および制御光ＣＬ用光源をそれぞれ独立して設ける構成としてもよい。
【００３８】
光変調素子５は、光分離素子４から送られた光に対して各領域毎に光の伝送／非伝送を制御することによって制御光ＣＬを生成し、光学システム２に伝送する。すなわち、光変調素子５は、受光領域を複数の領域に分割し、各領域における光の伝送／非伝送を制御することが可能となっている。この光変調素子５としては、例えば液晶シャッタやＰＬＺＴなどが用いられる。なお、光変調素子５は、光の透過／遮断を制御することによって光の伝送／非伝送を制御するものであってもよいし、光の反射／非反射を制御することによって光の伝送／非伝送を制御するものであってもよい。
【００３９】
制御部６は、光変調素子５の各領域における光の伝送／非伝送制御を行う。この各領域における光の伝送／非伝送制御は、外部からの指示入力に基づいて行われる。言い換えれば、外部から制御部６に対して指示入力を行うことによって、制御光ＣＬの状態を変化させ、配列変換処理を変更することが可能となっている。
【００４０】
光学システム２は、入力画像ＩＰを光学的に処理することによって配列変換を行い、出力画像ＯＰを生成するものであり、フォトリフラクティブ素子１１、偏光ビームスプリッタ１２、およびプリズム１３を備えている。なお、この光学システム２の詳細については後述する。
【００４１】
電圧印加部９は、フォトリフラクティブ素子１１に対して電圧を印加するものであり、これにより、フォトリフラクティブ素子１１内の分子の配向を揃えることが可能となる。
【００４２】
（光学システムの構成）
次に、光学システム２の構成について図１を参照しながら説明する。同図に示す例では、３つの部分画像ｉａ・ｉｂ・ｉｃからなる入力画像ＩＰに対して、各部分画像の配列変換を行い、３つの部分画像ｏａ・ｏｂ・ｏｃからなる出力画像ＯＰを出力する構成となっている。言い換えれば、３チャネルの入力信号の配列変換を行って３チャネルの出力信号を生成する構成となっている。なお、配列変換の対象となる部分画像またはチャネルの数は、３つに限定されるものではなく、２以上の任意の数とすることが可能である。
【００４３】
この例では、フォトリフラクティブ素子１１は、第１〜第３のフォトリフラクティブポリマー１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃが多層化された構成となっている。なお、配列変換の対象となる部分画像またはチャネルの数がｎ（２以上の整数）の場合には、フォトリフラクティブ素子１１は、ｎ層のフォトリフラクティブポリマーが多層化された構成となる。
【００４４】
フォトリフラクティブ素子１１は、光分離素子４（図１においては図示せず）からのポンプ光ＰＬ、偏光ビームスプリッタ１２からの制御光ＣＬ、および、光入力部７（図１においては図示せず）からの入力画像ＩＰを受け、出力画像ＯＰを偏光ビームスプリッタ１２に向けて出射する。また、偏光ビームスプリッタ１２は、光変調素子５（図１においては図示せず）から制御光ＣＬを受け、この制御光ＣＬをフォトリフラクティブ素子１１に対して出射するとともに、フォトリフラクティブ素子１１から出力画像ＯＰを受け、この出力画像ＯＰをプリズム１３に対して出射する。プリズム１３は、偏光ビームスプリッタ１２から出力画像ＯＰを受け、この出力画像ＯＰを光出力部８（図１においては図示せず）に対して出射する。
【００４５】
また、ポンプ光ＰＬおよび制御光ＣＬは常光線となっており、入力画像ＩＰおよび出力画像ＯＰは異常光線となっている。以上のような構成により、光学システム２は、交差偏光４波混合光学系となっている。
【００４６】
（配列変換処理）
次に、図３（ａ）〜図３（ｃ）を参照しながら、光学システム２による配列変換処理の手順について説明する。まず、図３（ａ）を参照しながら、フォトリフラクティブ素子１１に屈折率格子ＲＬが生成される様子について説明する。前記した数１と同じ３行３列の行列Ｃで表される制御光ＣＬが偏光ビームスプリッタ１２に入射される。制御光ＣＬは常光線であるため、偏光ビームスプリッタ１２によってフォトリフラクティブ素子１１方向に反射される。そしてポンプ光ＰＬと制御光ＣＬとがフォトリフラクティブ素子１１に入射する。
【００４７】
フォトリフラクティブ素子１１では、第１のフォトリフラクティブポリマー１１Ａにおいて制御光ＣＬのＡ列に対応する屈折率格子ＲＬが形成され、第２のフォトリフラクティブポリマー１１Ｂにおいて制御光ＣＬのＢ列に対応する屈折率格子ＲＬが形成され、第３のフォトリフラクティブポリマー１１Ｃにおいて制御光ＣＬのＣ列に対応する屈折率格子ＲＬが形成される。これは以下の作用によるものである。
【００４８】
例えば制御光のＡ列が各フォトリフラクティブポリマーを通過する際に、ポンプ光ＰＬと重なる領域は第１のフォトリフラクティブポリマー１１Ａの領域のみとなるので、制御光のＡ列に関しては第１のフォトリフラクティブポリマー１１Ａのみに屈折率格子ＲＬが形成される。同様にして、制御光のＢ列に関しては第２のフォトリフラクティブポリマー１１Ｂのみに屈折率格子ＲＬが形成され、制御光のＣ列に関しては第３のフォトリフラクティブポリマー１１Ｃのみに屈折率格子ＲＬが形成される。すなわち、このような状態が実現されるように、各フォトリフラクティブポリマーの配置位置、ポンプ光ＰＬの入射角度および光領域の幅、制御光ＣＬの入射角度および各列の幅が精確に調整されていることになる。
【００４９】
以上のようにフォトリフラクティブ素子１１内に屈折率格子ＲＬが形成された後に、図３（ｂ）に示すように、入力画像ＩＰがフォトリフラクティブ素子１１に対してポンプ光ＰＬと対向伝搬するように照射される。すると、入力部分画像ｉａはポンプ光ＰＬとＣ列の制御光ＣＬとで誘起された屈折率格子ＲＬによって４波混合が生じ、制御光ＣＬの入射方向（偏光ビームスプリッタ１２の方向）に回折される。同様に入力部分画像ｉｂ・ｉｃはポンプ光ＰＬと、Ａ・Ｂ列の制御光ＣＬとで誘起された屈折率格子ＲＬによって偏光ビームスプリッタ１２の方向に回折される。回折された各入力部分画像は異常光線であるため、図３（ｂ）のように偏光ビームスプリッタ１２を透過する。偏光ビームスプリッタ１２を透過した各回折画像は高さがそれぞれ違うため、プリズム１３によって同じ高さに揃えられる。これによって入力画像ＩＰにおける各入力部分画像と、出力画像ＯＰにおける各出力部分画像との１対１接続が実現される。
【００５０】
また、配列変換のパターンを変更する際には、図３（ｃ）に示すように、制御光ＣＬにおける行列Ｃを変更すればよい。このように、制御光ＣＬにおける行列Ｃを変更することによって、入力画像ＩＰにおける各入力部分画像の配列はそのままで、出力画像ＯＰにおける各出力部分画像の配列を変更することができる。
【００５１】
（制御光による出力画像の位置制御の詳細）
図４は、制御光ＣＬによる出力画像ＯＰの位置制御の状態を示している。この図では、３枚に並べられたフォトリフラクティブポリマー１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃに入射された１枚の入力部分画像ｉａが、２枚目のフォトリフラクティブポリマー１１Ｂ内で誘起された屈折率格子ＲＬによって回折され出力されている。制御光ＣＬによる行列Ｃのパターンは任意に変更できるため、屈折率格子ＲＬは任意のフォトリフラクティブポリマー内で誘起させることが可能である。屈折率格子ＲＬが誘起される位置によって得られる出力部分画像の位置は変化する。したがって、制御光ＣＬによる行列Ｃのパターンによって出力部分画像の位置を制御することが可能となることがわかる。
【００５２】
図４に示す例では、入力部分画像３枚を縦１列に並べ、３行３列のマトリックスパターンで与えられる制御光ＣＬを用いることによって、縦に配列された入力部分画像の配列（順番）を並べ替えて、３枚横１列の出力部分画像を出力する全光インターコネクションが実現される。
【００５３】
（フォトリフラクティブポリマーによる回折）
次に、フォトリフラクティブポリマーによる回折作用について図５を参照しながら説明する。フォトリフラクティブポリマー１１Ｘは、媒質自体の厚さ（相互作用長）ｄが10μｍオーダーとなっている。よって、フォトリフラクティブポリマー１１Ｘ内に誘起される屈折率格子ＲＬも１０μｍオーダーの薄いものとなる。そのため、入力画像ＩＰは歪みなく回折され、出力画像ＯＰにおける水平方向への歪みは生じない。
【００５４】
また、フォトリフラクティブポリマーはフォトリフラクティブ結晶に比べて高い結合係数を有している。具体的には、フォトリフラクティブポリマーは最大で１３０００（１／ｍ）程度の結合係数を有しているが（例えば非特許文献３参照）、フォトリフラクティブ結晶（ＢａＴｉＯ３）は異常光線でおおよそ１７００（１／ｍ）前後の結合係数を有している。よって、フォトリフラクティブポリマーは、相互作用長が短くても、フォトリフラクティブ結晶と同等もしくはそれ以上の効率で入力画像を回折することができる。以下に、このことについてより詳細に説明する。
【００５５】
フォトリフラクティブポリマーは有機材料である一方、フォトリフラクティブ結晶は無機材料である。フォトリフラクティブポリマーの特性としては、単位長さあたりの利得が大きいため(高感度)、無機材料であるフォトリフラクティブ結晶を用いるよりも小さな相互作用長で、フォトリフラクティブ結晶と同等の回折効率を得ることができる。具体的には、フォトリフラクティブポリマーは、フォトリフラクティブ結晶の１／１０程度の相互作用長で同等な性能を得ることができる。したがって、フォトリフラクティブポリマーを用いる構成によれば、フォトリフラクティブ結晶を用いる場合と比べて、光学システム２をよりコンパクトに構成することが可能となる。
【００５６】
なお、回折効率は、結合係数と相互作用長との積で表される結合強度に依存するものである。すなわち、入力画像を回折させるにはある程度の結合強度が必要なため、相互作用長が薄いときは結合係数がより高い媒質を用いる必要がある。一般的には厚いフォトリフラクティブポリマーを用いれば回折効率は大きくなる。しかしながら、フォトリフラクティブポリマーを厚くしすぎると吸収損失も大きくなり、透過する光が弱くなるので、フォトリフラクティブポリマーの相互作用長としては１０〜１００μｍであることが望ましい。ただし、実際には、フォトリフラクティブポリマーの作成上の制約や用いる波長などに応じて、フォトリフラクティブポリマーの相互作用長を設定する必要がある。
【００５７】
また、フォトリフラクティブポリマーは、典型的な無機フォトリフラクティブ結晶に比べて、媒質の時定数が小さいという特性を有している。ここでいう時定数とは、応答速度のことであり、具体的には、媒質内に誘起される屈折率格子の立ち上がり時間を想定している。無機フォトリフラクティブ結晶の場合では立ち上がり時間は秒オーダーである一方、フォトリフラクティブポリマーの場合では数ミリ秒〜数１０ミリ秒のオーダーとなる（非特許文献３参照）。よって、フォトリフラクティブポリマーを用いれば、屈折率格子の立ち上げを迅速に行うことが可能となるので、高速に配列変換を切り替えることが可能となり、動画データの中継なども可能とすることが期待できる。
【００５８】
また、フォトリフラクティブポリマーは、フォトリフラクティブ結晶に比べてコストが著しく安価であるというメリットもある。詳しく説明すると、フォトリフラクティブ結晶は、例えばＢａＴｉＯ３結晶の場合、５ｍｍ角くらいの大きさまで成長させるのに時間がかかるため、非常に高価である一方、フォトリフラクティブポリマーは、有機化学合成によって生成されるため、材料コストは著しく安価である。
【００５９】
さらに、フォトリフラクティブ結晶は、上記のように困難な成長プロセスを経て形成されるため、コストがかかるだけでなく、加工性も良くない。よって、材料選択の自由度が限られている。これに対し、有機フォトリフラクティブポリマーは安価で、複雑な形状に成形することも容易である。また、フォトリフラクティブポリマーに代表される有機媒質では、現在でも新物質が次々と発見され，合成手法の進歩により新分子構造をもつ物質が数多く合成されるなど，材料選択の自由度は極めて高いというメリットもある。
【００６０】
（光学システムの別の構成例）
次に、光学システム２の別の構成例について説明する。図１に示した構成では、光学システム２は交差偏光４波混合光学系となっているが、図６に示すように、平行偏光４波混合光学系による構成としてもよい。図１に示す構成と異なる点は、偏光ビームスプリッタ１２の代わりにビームスプリッタ１２Ａが設けられている点である。また、フォトリフラクティブ素子１１に入射される入力画像ＩＰ、ポンプ光ＰＬ、および制御光ＣＬの偏光がすべて同一に設定される。他の構成については図１に示した構成と同様であるので、ここではその説明を省略する。以上のような平行偏光４波混合光学系によっても、上記と同様の配列変換動作を行うことが可能である。
【００６１】
しかしながら、光学システム２を構成する光学系として、交差偏光４波混合光学系を用いる方が、平行偏光４波混合光学系を用いるよりも好ましい。以下にこの理由について説明する。
【００６２】
交差偏光４波混合は、結合係数が低いとされる常光線を用いてフォトリフラクティブ素子１１内に屈折率格子ＲＬを誘起することになるので、異常光線の回折効率が平行偏光４波混合に比べて低い。詳しく説明すると、回折効率は一般に媒質の結合強度に依存する。結合強度は媒質の相互作用長と結合係数との積で表されるが、この場合は相互作用長が同じであることを想定しているので、結合係数が高い方が回折効率が高いことになる。ここで、結合係数は、異常光線の方が常光線に比べて高いので、結合係数の低い常光線によって屈折率格子を生成する方が、異常光線同士で生成する場合よりも回折効率が低くなる。
【００６３】
しかしながら、平行偏光４波混合では、入射光と出力光との偏光が同じであるため、ビームスプリッタ１２Ａの設置によって制御光ＣＬの入射時における分岐損失、および、回折されてきた入力画像ＩＰの分岐損失が発生することになる。この分岐損失は、ビームスプリッタ１２Ａに入射する全ての光波が５０:５０に分岐されることに起因している。これに対して、交差偏光４波混合では、常光線の制御光ＣＬと異常光線の入力画像ＩＰとを用いているため、常光線を反射し、異常光線を透過する偏光ビームスプリッタ１２によって損失なく光線を分岐することが可能である。
【００６４】
すなわち、交差偏光４波混合光学系を用いる場合、平行偏光４波混合光学系を用いる場合と比較して、結合係数が低いことによって回折効率の低下が生じるが、偏光ビームスプリッタ１２による分岐損失は低くなる。ここで、回折効率の低下と分岐損失の低下を比較した場合、実際には分岐損失の低下の効果が大きいので、交差偏光４波混合光学系を用いる方が、平行偏光４波混合光学系用いるよりも光の利用効率が高いことになる。
【００６５】
なお、ビームファニング現象を生じさせることが可能なフォトリフラクティブポリマーを用いることが可能である場合には、フォトリフラクティブポリマーに対して相対する面から２本の入射光を互いの位相共役光として返す相互励起型位相共役鏡を用いる方式も考えられる。ビームファニング現象とは、結晶内の不純物や媒質端面での光の散乱によってフォトリフラクティブポリマー内で入射光が扇状に広がる現象である。ただし、この現象を介してから屈折率格子を形成する必要があるので、屈折率格子の生成のために長い時間を要する点が問題となる。
【００６６】
（複数の出力画像を出力する構成）
次に、１つの入力画像ＩＰに対して、複数種類の配列変換を行い、それぞれの配列変換に対応した複数の出力画像ＯＰを出力する構成について説明する。図７は、これを実現する構成の概略を示している。同図に示すように、この例における光学システム２は、図１に示す構成を複数設けた構成となっている。なお、図７においては、フォトリフラクティブ素子１１が複数設けられている状態のみが示されているが、実際には、各フォトリフラクティブ素子１１に対応して偏光ビームスプリッタ１２およびプリズム１３が設けられている。
【００６７】
図１に示す構成では、入力画像ＩＰを図７におけるＡで示す光学系によって配列変換を行っているが、Ａで示す光学系におけるフォトリフラクティブ素子１１において、入力画像ＩＰのうち、偏光ビームスプリッタ１２方向へ回折せずに、そのまま透過する光が存在する。図７におけるＢで示す光学系は、Ａで示す光学系において回折されなかった光を利用して配列変換を行うものとなっている。同様に、Ｃで示す光学系は、さらにＢで示す光学系において回折されなかった光を利用して配列変換を行うものとなっている。
【００６８】
ここで、Ａで示す光学系、Ｂで示す光学系、およびＣで示す光学系において用いる制御光ＣＬによる行列Ｃをそれぞれ任意に設定すれば、Ａで示す光学系、Ｂで示す光学系、およびＣで示す光学系で出力される出力画像ＯＰ１、ＯＰ２、およびＯＰ３を、それぞれ任意の配列変換が行われた状態で出力することが可能となる。
【００６９】
なお、上記の構成の場合、Ａで示す光学系、Ｂで示す光学系、およびＣで示す光学系のそれぞれのフォトリフラクティブ素子１１に入射される入力画像ＩＰの光量はそれぞれ異なることになる。例えば、Ａで示す光学系への入力時点で光量が１００であった入力画像ＩＰは、Ａで示す光学系におけるフォトリフラクティブ素子１１を透過する際に回折光分の光量が減少するので、Ｂで示す光学系におけるフォトリフラクティブ素子１１に入射する時点では（１００−Ａでの回折分）の光量となる。したがって、Ｂで示す光学系での制御光ＣＬの光量を、Ａで示す光学系における制御光ＣＬの光量と同じにしていては、最適な回折効率が得られなくなる。よって、各光学系における制御光ＣＬの光量を、各光学系における入力画像ＩＰの入射光量に応じて適宜調整することが好ましい。
【００７０】
（実験結果）
次に、図１に示すような、フォトリフラクティブポリマーを用いた交差偏光４波混合光学系によって入力画像が歪みなく回折されることを確認した実験結果について説明する。図８は、その実験系を示す。同図において、Ｍ、Ｌ、ＰＢＳ、ＨＷＰ、およびＬＭはそれぞれミラー、レンズ、偏光ビームスプリッタ、半波長板、および入力画像生成用光変調素子を示している。また、光の経路を示す線において、破線は常光線、実線は異常光線を示している。
【００７１】
本実験で用いるフォトリフラクティブポリマーは、ＰＡＴＰＤ（tetra-Phenyl-Diphenyldiamine acrylate homopolymer）である。光源には６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを用いた。レンズＬ１の焦点距離は５００ｍｍ、レンズＬ２、Ｌ３の焦点距離は１００ｍｍである。
【００７２】
ここで、入力画像を高い回折効率で出力画像として得るためには、フォトリフラクティブポリマー内の分子の配向が揃っていることが好ましい。そのために、フォトリフラクティブポリマーに外部電界を加えている。本実験ではフォトリフラクティブポリマーをはさむガラス板に付着している透明電極に９０Ｖ／ｍｍの外部電界を加えた。また、信号光・ポンプ光は互いに異なる入射面からフォトリフラクティブポリマーの表面に対してともに６０度の角度で入射される。制御光はポンプ光側の入射面からフォトリフラクティブポリマー表面に対して１５度の角度で入射される。
【００７３】
Ｈｅ−Ｎｅレーザから出射された光は、ＰＢＳ１によって異常光線と常光線とに分離される。異常光線は、光変調素子ＬＭを通過することによって入力画像が形成され、信号光としてフォトリフラクティブポリマーに入射する。一方、ＰＢＳ１によって分離された常光線は、ＰＢＳ３によって常光線と異常光線とに分離され、常光線は制御光としてフォトリフラクティブポリマーに入射し、異常光線はポンプ光としてフォトリフラクティブポリマーに入射する。フォトリフラクティブポリマーによる回折光は、レンズＬ２を介してＣＣＤ１に照射され、信号光がフォトリフラクティブポリマーを透過した光は、レンズＬ３を介してＣＣＤ２に照射される。すなわち、ＣＣＤ１による検出画像が、出力画像に相当するものであり、ＣＣＤ２による検出画像が、入力画像に相当する。
【００７４】
なお、ポンプ光（常光線）と制御光（常光線）とによって媒質中に屈折率格子が形成されるが、本実験は回折される画像の質を確認するためのものであるので、制御光にはマスクを与えていない。屈折率格子が形成されたあと、フォトリフラクティブポリマーに信号光として図９に示すような３枚の入力画像を入射させる。
【００７５】
入力画像は屈折率格子によって制御光方向に回折される。回折された出力画像を図１０に示す。同図に示すように、出力画像はほぼ歪みなく回折されていることがわかる。出力画像の歪みは厚い屈折率格子によって入力画像が回折されたときに起こる。フォトリフラクティブ結晶を用いた場合では消去光を照射することによって屈折率格子が薄く誘起されるようにし、出力画像の歪みを抑制してきた。これに対して、本実施形態の構成のように、薄いフォトリフラクティブポリマーを用いることによって消去光なしにくっきりとした画像を回折することが可能であることが確認された。
【００７６】
また、制御光を遮断すると、フォトリフラクティブポリマー内に屈折率格子が誘起されないことになる。そのため、入力画像は回折されず透過した入力画像のみがＣＣＤ２において観測された。すなわち、回折画像のＯＮ／ＯＦＦが制御光によって全光学的に切り替えられることが確認された。
【００７７】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明に係る光中継装置は、ボード間光通信などで用いられる光中継装置に適用することが可能である。これはコンピュータの高速化・低発熱化を目的に、ＣＰＵ、メモリ、ボード間の通信を光におきかえる場合に好適に用いることができる。
【００７９】
また、本発明に係る光中継装置は、ホログラフィックメモリ内に多重記録されたページデータの切り替えなどにも利用可能である。ホログラフィックメモリでは、２次元情報としてデータが記録されているので、複数の２次元情報を、１次元（シリアル）に変換することなく、光のままコピー、あるいは、交換することが可能となる。
【００８０】
また、光・電気変換の限界速度を超える超高速光通信においては、１本の伝送路に全信号をシリアル変換することは困難であるので、複数の伝送路に並走されるパラレル伝送方式に優位性がある。このようなパラレル伝送路間の信号の切り替えや接続のために本発明に係る光中継装置を適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の一実施形態に係る光中継装置が備える光学システムの概略構成を示す斜視図である。
【図２】上記光中継装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】同図（ａ）〜同図（ｃ）は、上記光学システムによる配列変換処理の手順を示す図である。
【図４】制御光による出力画像の位置制御の状態を示す図である。
【図５】フォトリフラクティブポリマーによる回折の状態を示す図である。
【図６】平行偏光４波混合光学系によって構成した場合の光学システムの概略を示す斜視図である。
【図７】１つの入力画像に対して、複数種類の配列変換を行い、それぞれの配列変換に対応した複数の出力画像を出力する構成を示す図である。
【図８】フォトリフラクティブポリマーを用いた交差偏光４波混合光学系によって入力画像が歪みなく回折されることを確認した実験の実験系を示す図である。
【図９】実験で用いた入力画像を示す図である。
【図１０】実験結果としての出力画像を示す図である。
【図１１】従来の光インターコネクションにおける光学系を示す図である。
【図１２】同図（ａ）は、結晶の相互作用長が長い場合に出力画像に歪みが生じた状態を示す図であり、同図（ｂ）は、消去光を照射することによって屈折率格子の厚みを薄くした状態を示す図であり、同図（ｃ）は、消去光の断面を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１ 光中継装置
２ 光学システム
３ 光源（光照射手段）
４ 光分離素子（光照射手段）
５ 光変調素子
６ 制御部
７ 光入力部
８ 光出力部
９ 電圧印加部
１０ 配列変換部
１１ フォトリフラクティブ素子
１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃ・１１Ｘ フォトリフラクティブポリマー
１２ 偏光ビームスプリッタ
１２Ａ ビームスプリッタ
１３ プリズム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入力部から入力された、空間的に並列に伝送される複数の光信号の空間的な配列を変更し、光出力部から出力する光中継装置であって、
複数のフォトリフラクティブ基板からなるフォトリフラクティブ素子と、
上記各フォトリフラクティブ基板に屈折率格子を形成するための光を照射する光照射手段とを備え、
上記光照射手段が、上記各フォトリフラクティブ基板に対して、入力された上記複数の光信号のうち、いずれか１つの光信号が照射される位置にのみ屈折率格子を形成するとともに、各フォトリフラクティブ基板に対応する光信号がそれぞれ互いに異なるように光を照射するとともに、
上記屈折率格子によって回折された上記各光信号を上記光出力部から出力することを特徴とする光中継装置。
【請求項２】
上記フォトリフラクティブ基板が、有機材料であるフォトリフラクティブポリマーによって構成されていることを特徴とする請求項１記載の光中継装置。
【請求項３】
上記光照射手段が、上記各フォトリフラクティブ基板に対して、ポンプ光を照射するとともに、屈折率格子を形成する部分にのみ光を照射するための光変調素子から出射された制御光を照射するものであることを特徴とする請求項１記載の光中継装置。
【請求項４】
上記制御光を反射して上記フォトリフラクティブ基板に対して照射するとともに、上記フォトリフラクティブ基板からの回折光を透過して上記光出力部に伝送する偏光ビームスプリッタを備え、
上記ポンプ光および制御光を常光線とし、入力される光信号および出力される光信号を異常光線とすることを特徴とする請求項３記載の光中継装置。
【請求項５】
上記フォトリフラクティブ素子をｎ個（ｎは２以上の整数）備えるとともに、各フォトリフラクティブ素子に対応して上記光照射手段を備え、
入力された光信号が、ｎ−１個のフォトリフラクティブ素子を順次透過し、各フォトリフラクティブ素子において回折された光信号が上記光出力部から出力されることを特徴とする請求項１記載の光中継装置。
【請求項６】
複数のフォトリフラクティブ基板からなるフォトリフラクティブ素子を備え、光入力部から入力された、空間的に並列に伝送される複数の光信号の空間的な配列を変更し、光出力部から出力する光中継装置における光中継方法において、
上記各フォトリフラクティブ基板に対して、入力された上記複数の光信号のうち、いずれか１つの光信号が照射される位置にのみ屈折率格子を形成するとともに、各フォトリフラクティブ基板に対応する光信号がそれぞれ互いに異なるように光を照射するステップと、
上記屈折率格子によって回折された上記各光信号を上記光出力部から出力するステップとを有することを特徴とする光中継方法。
【請求項１】
光入力部から入力された、空間的に並列に伝送される複数の光信号の空間的な配列を変更し、光出力部から出力する光中継装置であって、
複数のフォトリフラクティブ基板からなるフォトリフラクティブ素子と、
上記各フォトリフラクティブ基板に屈折率格子を形成するための光を照射する光照射手段とを備え、
上記光照射手段が、上記各フォトリフラクティブ基板に対して、入力された上記複数の光信号のうち、いずれか１つの光信号が照射される位置にのみ屈折率格子を形成するとともに、各フォトリフラクティブ基板に対応する光信号がそれぞれ互いに異なるように光を照射するとともに、
上記屈折率格子によって回折された上記各光信号を上記光出力部から出力することを特徴とする光中継装置。
【請求項２】
上記フォトリフラクティブ基板が、有機材料であるフォトリフラクティブポリマーによって構成されていることを特徴とする請求項１記載の光中継装置。
【請求項３】
上記光照射手段が、上記各フォトリフラクティブ基板に対して、ポンプ光を照射するとともに、屈折率格子を形成する部分にのみ光を照射するための光変調素子から出射された制御光を照射するものであることを特徴とする請求項１記載の光中継装置。
【請求項４】
上記制御光を反射して上記フォトリフラクティブ基板に対して照射するとともに、上記フォトリフラクティブ基板からの回折光を透過して上記光出力部に伝送する偏光ビームスプリッタを備え、
上記ポンプ光および制御光を常光線とし、入力される光信号および出力される光信号を異常光線とすることを特徴とする請求項３記載の光中継装置。
【請求項５】
上記フォトリフラクティブ素子をｎ個（ｎは２以上の整数）備えるとともに、各フォトリフラクティブ素子に対応して上記光照射手段を備え、
入力された光信号が、ｎ−１個のフォトリフラクティブ素子を順次透過し、各フォトリフラクティブ素子において回折された光信号が上記光出力部から出力されることを特徴とする請求項１記載の光中継装置。
【請求項６】
複数のフォトリフラクティブ基板からなるフォトリフラクティブ素子を備え、光入力部から入力された、空間的に並列に伝送される複数の光信号の空間的な配列を変更し、光出力部から出力する光中継装置における光中継方法において、
上記各フォトリフラクティブ基板に対して、入力された上記複数の光信号のうち、いずれか１つの光信号が照射される位置にのみ屈折率格子を形成するとともに、各フォトリフラクティブ基板に対応する光信号がそれぞれ互いに異なるように光を照射するステップと、
上記屈折率格子によって回折された上記各光信号を上記光出力部から出力するステップとを有することを特徴とする光中継方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−３０８９７２（Ｐ２００６−３０８９７２Ａ）
【公開日】平成１８年１１月９日（２００６．１１．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１３３１９９（Ｐ２００５−１３３１９９）
【出願日】平成１７年４月２８日（２００５．４．２８）
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人 北海道大学 (971)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月９日（２００６．１１．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月２８日（２００５．４．２８）
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人 北海道大学 (971)
【Ｆターム（参考）】
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